河北省南水北调配套工程D级GPS平面控制网布设

2010-06-26崔志成

水科学与工程技术 2010年4期

崔志成

（河北省水利水电勘测设计研究院，石家庄 050081）

1 项目概况

河北省南水北调配套工程由大型输水干渠、各市供水管渠、平原调蓄工程、地表水厂及城市供水管网5部分构成。大型输水干渠包括邢沧干渠（或赞善干渠）、石津干渠、沙河干渠、廊坊干渠和天津干渠。测量范围南北长400km，东西宽200km，覆盖总面积5.3万km2，控制了多半个河北省的区域。该配套工程的建设，是实现南水北调工程的关键。

为满足平面控制测量的精度要求，在配套工程区域内C级GPS控制网的基础上，布设D级GPS控制网，以满足布设五等导线、测图等后续工作的需要。该项目起算数据为长江水利委员会长江勘测规划设计研究院完成的南水北调中线一期工程总干渠C级、天津干渠C级GPS控制网成果和河北省水利水电勘测设计研究院完成的中线总干渠三等GPS控制网、配套区域内C级GPS控制网成果，坐标系统为松弛的1954年北京坐标系（1°分带）成果，与本项目的要求一致，点位保存完好，用作D级GPS控制网的起算数据。

2 GPS网布设

D级GPS网布设应满足1∶2000地形测量的需要，按《水电规范》的规定，布设5等导线的最大长度为8km。因此，D级GPS网点沿各输水渠每7～8km布设一点，并且为了便于利用，在其附近300～1000m内布设一个通视的方位点。全网共布设D级GPS点266座，其中大型分干渠布设103座，各市分水管渠布设163座。GPS点均选在不影响施工、便于利用、对接收卫星信号不受干扰的地方。

D级网相应的基线长度精度应达到1/10万；D级点与方位点基线长度精度应满足5等导线起算边精度要求，即1/4万；最弱点点位精度小于1∶2000地形测量图上±0.1mm的精度要求。

3 GPS网测量

3.1 GPS网观测

为消弱国家点（首级C级网点）兼容性差对平差精度的影响，设计了分段平差的方案，D级GPS控制网分为19个子网独立进行观测，解决了已知点的不兼容问题；GPS观测网全部按边连接方式进行观测，最简独立闭合环满足规范规定小于等于8，保证了GPS观测网的整体精度；观测方案中有4个同步环的平均边长较大，为保证观测精度，增加多余观测次数，相应提高了观测时段数和时段长度，最长时段长度为2h，其他同步环的观测按规范执行。作业过程中每天进行卫星状况预报，观测时避开了强度因子PDOP值接近或大于10的时段，保证各个子网的观测精度。

3.2 数据处理

3.2.1 基线质量检核

采用TGO软件，在WGS84系统下进行基线处理。对超限的基线进行分析和优化处理，删除残差大的卫星，并利用Timeline工具选取好的观测时段，使GPS基线取得最优解。为了评定基线解算的精度，进行了RMS值、重复基线、环闭合差检验等3项检验。

3.2.1.1 基线解算RMS值检验

RMS值越小，观测精度越高。基线结算结果表明，全部基线的RMS值均小于30mm限差要求。

3.2.1.2 基线重复性检验

表1 重复基线差值区间精度统计表单位：mm

统计数据表明，所有重复基线差值均小于限差要求，GPS基线精度不存在系统误差，满足规范要求。

3.2.1.3 环闭合差检验

为进一步检查GPS网中各观测量的质量，对全网进行了4结点环闭合差检验，其公式如下：

D级GPS网的平均边长为5km，进行限差计算的结果：垂直方向Wz等于265mm，水平方向为Wx、Wy方向的平方根等于375mm。由闭合环精度统计表看出，均满足要求。

3.2.2 GPS网平差

采用Trimble Geomatics Office Ver1.6平差软件完成，由于网的基线长度相差较大，平差时应选择到各观测值的加权策略，否则平差成果精度会降低。

3.2.2.1 三维无约束平差

三维无约束平差的目的主要是进行粗差分析，以发现测量中的粗差并消除其影响，其结果客观反映了整个GPS网的内部符合精度。

不约束坐标和高程先对各子网进行无约束平差，平差后，最弱边方位边边长相对精度1∶90877，其他边长相对精度1∶146519，观测精度高，整体控制精度均匀。

3.2.2.2 二维约束平差

以克拉索夫斯基椭球参数定义平差基准，采用高斯投影方式，以长江水利委员会长江勘测规划设计研究院完成的南水北调中线一期工程总干渠C级、天津干渠C级GPS控制网成果和河北省水利水电勘测设计研究院完成的中线总干渠三等GPS控制网、配套区域内C级GPS控制网成果等已知点的1954年北京坐标系1°带（中央子午线经度117°）成果作为起算数据，对全网进行二维约束平差，获得各点的1954年北京坐标系成果。

各个子网平差时均应输入一个已知点的高程，方能求解1954年北京坐标系坐标。平差后，最弱边方位边边长相对精度1∶70877，其他边长相对精度1∶164899，均满足布设方案中规定的精度指标要求。

对平差后各子网的点位精度和离散度进行了统计和计算，最弱点点位精度小于1∶2000地形测量图上±0.1mm的精度要求，由离散度看出，点位精度的稳定性较高。D级GPS网具有较强的网形结构和可靠性，观测精度高，整体控制精度均匀。

3.3 1954年北京坐标系1°带的确定和成果换算

大区域的施工控制网需要解决的一个重要问题就是投影变形，依据《水电规范》要求，边长投影变形应小于5cm/km。如果采用3°带投影方式，按纬度38°计算其边缘变形量为21cm/km，不能满足要求，因此必须选择恰当的投影方式，减小变形量，使其满足规范要求。减小投影变形主要有3种方式：

（1）选择任意投影带，使边长投影到参考椭球面上的改正数最小。

（2）选择任意投影带和测区平均高程面，使两者改正数之和最小。

（3）投影带不变，选择抵偿高程面，使两者改正数之和最小。

由于本项目作为配套工程区平面控制网，投影带的选择应把握3个原则：①边长投影到参考椭球面；②投影带应为整数，便于用户使用；③满足投影变形量小于5cm/km。

按照上述原则，D级GPS控制网采用第一种方法，即选择和总干渠一致的1°带投影方式。则纬度39°的其边缘横坐标约为43km，计算投影变形量为2.3cm/km，小于容许变形量，可满足投影变形需要。按1°带划分标准，我省配套工程区可划分为5个投影带，中央子午线经度分别为114，115，116， 117，118°。